石墨导电混凝土的研究(1)
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10
15
15
编号
1# 2# 3# PJ 1# 2# 3# PJ 1# 2# 3# PJ 1# 2# 3# PJ
7d 65 00 68 00 57 69 63 56 12 32 12 81 13 21 12 78 2 05 1 85 0 92 1 61 1 05 1 10 1 51 1 22
续表 3
14d 50 00 110 3 80 77 80 30 15 09 17 94 18 30 17 11 1 81 1 77 1 16 1 58 1 22 1 01 1 18 1 14
Key words: graphite; electr ically co nduct ive concrete; r esistance r ate; compr essive strength; critical content
0 前言
目前导电混凝土广泛应 用的领 域有: 屏蔽 无线电干 扰、防 御电磁波、断路器地合 闸电阻、接地 装置、建筑物 的避雷 设备、 消除静电装 置、环境加热、电 阻器[ 1] 、建筑 采暖地 面[ 2] 、金属 防 腐阴极保护技术[ 3] 、高速公路的 自动监控[ 4] 、运动中 的重量 称 量[ 5] 以及道路和机 场的 冰雪 融化 等, 工 程上 还可 以利 用导 电 混凝土的电阻率变化, 对大型结构如核电场设 施与大坝的微裂 纹进行监测[ 6] 等。
由于石墨具有很多优良 的性能, 因此, 在不 少工业 制品 中 常被用来作导电材料[ 7] 。研究表明, 尽管石墨具有优良的物理 化学性能, 但由于粉末状 石墨的 长径比 小, 在 水泥混 凝土内 难 以形成相互连通的导电网络, 必须掺加较高含 量才能使混凝土 具有良好的 导 电性[ 8] , 这 将使 混 凝 土的 强 度 大幅 度 降 低[ 9] 。 因此, 石墨导电混凝土只 适合用 于对强 度要求 不高的领 域, 如 断路器的合闸 电阻、变压 器中 的接 地电 阻、及动 植物 养殖 ( 种
[ 摘 要] 本文探讨了石墨导电混凝土在养护龄期 28d 内电阻的变化, 分析了不同数量级的电阻在用交直流电和 万用电表测试 时的差
别, 研究了电阻率和 28d 抗压强度随石墨含量变化情况, 确定了石墨的渗滤阀值。
[ 关键词] 石墨; 导电混凝土; 电阻率; 抗压强度; 渗滤阀值
[ 中图分类号] TU 528 01
2 0 0 4 年 第 2 期 ( 总第 172 期) Number 2 in 2004( Tot al No. 172)
混
凝
土
Concrete
全国建 筑科学核心期刊 China Building S cience Core Periodical
石墨导电混凝土的研究
沈 刚, 董发勤 ( 西南科技大学, 四川 绵阳 621010)
~ 15% 之间, 超过这个值 虽然电 阻率也 有下降, 但是 下降的 程 度已不明显。由于石墨是影响强度的重要因素, 所以石墨含量 不宜超过 15% 。
图 3 不同含量石墨混凝土在 不同养护龄期内电阻率的变化图 从图 4 可 以看出, 随着导电 相骨料即 石墨含量的 增加, 混
[ 文献标识码] A
[ 文章编号] 1002- 3550( 2004) 02- 0021- 05
Study on graphi te electrically conductive concrete
SH EN Gang , DON G Fa-qin ( Southwest U niversity of Science and T echno logy, M iany ang Sicuan 621010, China)
Abstract: T he changes of resistance are discussed during 28 days conservation in this parer . T he resisitance obtained by DC and A C and digital multimeter is compared. T he changes of the resistance and 28 days compressive st rength along w ith graphite contents are analyzed, and the cr itical content is confirmed.
0 801 106
1#
80
5 20 102
4 00 102
7 80 102
7 61 102
7 63 102
5
2#
75
5 10 102
8 26 102
7 32 102
1 082 103
1 083 103
3#
78
4 50 102
6 30 102
7 49 102
8 75 102
8 76 102
1#
56
69 0
80
93
10 6
13 1
13 2
20
2#
82
90
83
10 0
10 0
10 2
3#
86
13 0
10 2
10 3
10 5
10 6
石墨含量 /%
0
编号
1# 2# 3# PJ
22
7d
2 58 103 2 60 103 1 46 103 2 21 103
表 3 空白和 石墨混凝土电阻率
电阻率/ ( m)
14d
84 5
161 5
182 0
182 5
10
2#
64
82 0
114 8
130 8
137 0
137 4
3#
53
70 0
97 0
116 4
126 0
126 2
1#
73
15 0
13 2
14 2
13 2
14 3
15
2#
65
12 0
11 5
11 9
12 1
12 2
3#
76
70
88
11 3
12 0
12 1
1#
76
图 1 鳞片石墨 掺石墨混凝 土的 导电 性与 石墨 的掺 量有 关, 石墨 掺量 越 大, 导电性能越好。为对其电阻率进行控 制进而控制其发热功 率, 有必要对其不同石墨掺量的 导电性进行试验。但是石墨掺 量过大会严重影响混凝土的强度, 所以石墨含量也不亦过大。 分别 选 择 4 个 不 同 的 石 墨 质 量 含 量: 5% 、10% 、15% 、 20% 。素混凝土水灰比 为 0 44, 砂 率为 38% 。当时 所用砂 含 水率为 3% , 经调 整后, 水 = 180- 682 3% = 160kg / m3, 砂 = 682+ 682 3% = 702kg/ m3。加 石墨后 用水量大 大增 加, 水 灰 比增大。素混凝土基体和石墨导电混凝土配合比如表 1 所示。 其中石墨导电相取代细骨料砂。 1 4 试件的制备 根据混凝土配方计算, 按一定比例称 量砂、石、水泥、石墨、 水、减 水剂。可 按砂 水泥 石墨 石 子的顺 序投 入料 斗, 与
[ 收稿日期] 2003- 11- 12 [ 基金项目] 国家高技术研究发展计划( 863 计划) ( 2001AA322070)
21
表 1 石墨导电混凝土、素混凝土配方
石墨含量 /%
石墨
配合比/ ( kg/ m3)
水泥
沙
卵石
0
0
414
702
1112
5
119 4
414
582 6 1112
10
238 8
植) 场建造温室等。
1 石墨导电源凝土的试验过程
1 1 试件尺寸和基本性能的确定 试件尺 寸均为 100mm 100mm 100mm 的立 方体, 混 凝
土基体设计为 C30。 1 2 试验材料的选择
主要原料为由江油盛达水泥厂生产的新标准 32 5 级普 通 硅酸盐水泥 : 采用自来水 作为拌 和水; 细骨料 采用的 是普通 中 砂( 河砂) , 粒径 小于 5mm: 粗骨 料 采用 的是 卵 石和 碎石 的 混 合, 最大粒径为 25mm; 导 电相采 用青 岛古宇 石墨 有限 公司 生 产的鳞片石墨, 粒度 1 m~ 5mm ( 如 图 1) ; 电极 采用一 号电 池 碳棒。 1 3 石墨导电混凝土和素混凝土基体的配合比
2 1 万用电表在不同养护龄期内电阻率 的测试结果与分析 万用电表在不同养护龄期内电阻 率的测试结 果如表 2, 3,
4。表 2 为万用电表在 不同养护 期电阻 测试记 录表, 表 3 为 根 据 = RS/ L 计算出的电阻率值, 平均 电阻率用 PJ 代表。
表 2 空白和石墨混凝土电阻测试记录
石墨含量
414
463 2 1112
15
358 2
414
343 8 1112
20
477 6
414
224 4 1112
水 160 160+ 86 160+ 172 160+ 258 160+ 344
翻斗投料入搅拌筒的同时, 加入全部拌和用水进行搅拌 。当 使
用外加剂时 , 应该把它溶 于拌和 用水中, 再倒 入搅拌 筒内进 行 搅拌。配合料拌和均 匀后进 行密实 成型, 同时埋 入电极, 成 型 后把试块放 入养护室中 进行养 护。养护 28d 即得 样品。如 图 2 所示。 1 5 电阻率的测定试验
5 60 103 4 06 103 3 86 103 4 51 103
21d
1 25 105 0 08 105 1 03 105 7 87 104
28d
1 67 105 0 23 105 1 11 105 1 01 105
56d
1 67 105 0 23 105 1 11 105 1 01 105
石墨含量 /% 5
电阻率/ ( m)
14d
21d
4 51 103
7 87 104
80 30 17 11
97 04 23 75
1 58 1 14
1 75 1 27
28d 1 01 105
117 19 25 89 1 75 1 38
56d 1 01 105
117 36 25 96 1 80 1 40
从以上表中数据可以看 出, 随着养 护龄期 的增长, 混凝 土 块的电阻率逐 渐增 大, 增大 的趋 势逐 渐减 缓。从图 3 可 以 看 出, 在 7d 到 14d 养护龄期内, 混凝 土电阻 率增大, 但 5% 、10% 两种却呈现下降趋势, 可能是由于内部水化使 离子增多增加其 导电性; 在 14d 到 21d 内混凝 土块的电 阻率 增加 速度最 快; 在 21d 到 28d 内, 电阻率的增加趋势较 14d 到 21d 减缓; 在 28d 到 56d 内混凝土电阻率基 本没有 变化, 说明混 凝土 电阻率 在 28d 已经稳定下来。
极间距
电阻/
编号
/%
/ cm
7d
14d
21d
28d
56d
1#
60
1 55 104
3 36 104
7 50 105
Fra Baidu bibliotek
1 00 106
1 002 106
0
2#
70
1 82 104
2 84 104
0 60 105
0 16 106
0 161 106
3#
72
1 05 104
2 78 104
7 40 105
0 80 106
14d、21d、28d 内电阻进行测试以及 56d 电阻测 试, 同 时分别 用 万用电表、直流电、交流 电对 石墨 导电 混凝 土块 养护 28d、56d
2 试验结果与分析
后进行电阻测定, 比较三种方法测试差别。 测试仪 器为 DT 90205A 万用 电表、直流 变压 器、交 流变 压
器、安培表、伏特表, 测试电阻值由表直接读出, 直流、交流测 试 法电阻由 R= U / I 计算, 电阻率由 = RS/ L 计算。
电阻率/ ( m) 21d
97 50 97 60 96 03 97 04 28 84 20 44 21 96 23 75 1 94 1 83 1 49 1 75 1 39 1 21 1 20 1 27
28d 95 13 144 27 112 18 117 19 32 50 21 44 23 77 25 89 1 81 1 86 1 58 1 75 1 72 1 21 1 22 1 38
56d 95 38 144 40 112 31 117 36 32 59 21 47 23 81 25 96 1 95 1 88 1 59 1 80 1 74 1 24 1 23 1 40
石墨含量 /%
0 5 10 15 20
7d 2 21 103
63 56 12 78
1 61 1 22
表 4 不同养护龄期电阻率的变化
用万用 电 表 对 石墨 导 电 混 凝 土 块 在 养护 期 分 别 为 7d、
图 2 石墨导电混凝土试块 1 6 石墨混凝土和素混凝土的抗压强度 试验
每种含量的混凝土块做 两组, 每组 三块, 一组用 来测电 阻 率, 另外一组用 来测 试抗 压强 度, 抗 压强 度为 28d 抗压 强度。 抗压强度由抗压强度测试仪测试。
15
15
编号
1# 2# 3# PJ 1# 2# 3# PJ 1# 2# 3# PJ 1# 2# 3# PJ
7d 65 00 68 00 57 69 63 56 12 32 12 81 13 21 12 78 2 05 1 85 0 92 1 61 1 05 1 10 1 51 1 22
续表 3
14d 50 00 110 3 80 77 80 30 15 09 17 94 18 30 17 11 1 81 1 77 1 16 1 58 1 22 1 01 1 18 1 14
Key words: graphite; electr ically co nduct ive concrete; r esistance r ate; compr essive strength; critical content
0 前言
目前导电混凝土广泛应 用的领 域有: 屏蔽 无线电干 扰、防 御电磁波、断路器地合 闸电阻、接地 装置、建筑物 的避雷 设备、 消除静电装 置、环境加热、电 阻器[ 1] 、建筑 采暖地 面[ 2] 、金属 防 腐阴极保护技术[ 3] 、高速公路的 自动监控[ 4] 、运动中 的重量 称 量[ 5] 以及道路和机 场的 冰雪 融化 等, 工 程上 还可 以利 用导 电 混凝土的电阻率变化, 对大型结构如核电场设 施与大坝的微裂 纹进行监测[ 6] 等。
由于石墨具有很多优良 的性能, 因此, 在不 少工业 制品 中 常被用来作导电材料[ 7] 。研究表明, 尽管石墨具有优良的物理 化学性能, 但由于粉末状 石墨的 长径比 小, 在 水泥混 凝土内 难 以形成相互连通的导电网络, 必须掺加较高含 量才能使混凝土 具有良好的 导 电性[ 8] , 这 将使 混 凝 土的 强 度 大幅 度 降 低[ 9] 。 因此, 石墨导电混凝土只 适合用 于对强 度要求 不高的领 域, 如 断路器的合闸 电阻、变压 器中 的接 地电 阻、及动 植物 养殖 ( 种
[ 摘 要] 本文探讨了石墨导电混凝土在养护龄期 28d 内电阻的变化, 分析了不同数量级的电阻在用交直流电和 万用电表测试 时的差
别, 研究了电阻率和 28d 抗压强度随石墨含量变化情况, 确定了石墨的渗滤阀值。
[ 关键词] 石墨; 导电混凝土; 电阻率; 抗压强度; 渗滤阀值
[ 中图分类号] TU 528 01
2 0 0 4 年 第 2 期 ( 总第 172 期) Number 2 in 2004( Tot al No. 172)
混
凝
土
Concrete
全国建 筑科学核心期刊 China Building S cience Core Periodical
石墨导电混凝土的研究
沈 刚, 董发勤 ( 西南科技大学, 四川 绵阳 621010)
~ 15% 之间, 超过这个值 虽然电 阻率也 有下降, 但是 下降的 程 度已不明显。由于石墨是影响强度的重要因素, 所以石墨含量 不宜超过 15% 。
图 3 不同含量石墨混凝土在 不同养护龄期内电阻率的变化图 从图 4 可 以看出, 随着导电 相骨料即 石墨含量的 增加, 混
[ 文献标识码] A
[ 文章编号] 1002- 3550( 2004) 02- 0021- 05
Study on graphi te electrically conductive concrete
SH EN Gang , DON G Fa-qin ( Southwest U niversity of Science and T echno logy, M iany ang Sicuan 621010, China)
Abstract: T he changes of resistance are discussed during 28 days conservation in this parer . T he resisitance obtained by DC and A C and digital multimeter is compared. T he changes of the resistance and 28 days compressive st rength along w ith graphite contents are analyzed, and the cr itical content is confirmed.
0 801 106
1#
80
5 20 102
4 00 102
7 80 102
7 61 102
7 63 102
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2#
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5 10 102
8 26 102
7 32 102
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13 1
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2#
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10 5
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石墨含量 /%
0
编号
1# 2# 3# PJ
22
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2 58 103 2 60 103 1 46 103 2 21 103
表 3 空白和 石墨混凝土电阻率
电阻率/ ( m)
14d
84 5
161 5
182 0
182 5
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13 2
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12 1
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12 0
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图 1 鳞片石墨 掺石墨混凝 土的 导电 性与 石墨 的掺 量有 关, 石墨 掺量 越 大, 导电性能越好。为对其电阻率进行控 制进而控制其发热功 率, 有必要对其不同石墨掺量的 导电性进行试验。但是石墨掺 量过大会严重影响混凝土的强度, 所以石墨含量也不亦过大。 分别 选 择 4 个 不 同 的 石 墨 质 量 含 量: 5% 、10% 、15% 、 20% 。素混凝土水灰比 为 0 44, 砂 率为 38% 。当时 所用砂 含 水率为 3% , 经调 整后, 水 = 180- 682 3% = 160kg / m3, 砂 = 682+ 682 3% = 702kg/ m3。加 石墨后 用水量大 大增 加, 水 灰 比增大。素混凝土基体和石墨导电混凝土配合比如表 1 所示。 其中石墨导电相取代细骨料砂。 1 4 试件的制备 根据混凝土配方计算, 按一定比例称 量砂、石、水泥、石墨、 水、减 水剂。可 按砂 水泥 石墨 石 子的顺 序投 入料 斗, 与
[ 收稿日期] 2003- 11- 12 [ 基金项目] 国家高技术研究发展计划( 863 计划) ( 2001AA322070)
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表 1 石墨导电混凝土、素混凝土配方
石墨含量 /%
石墨
配合比/ ( kg/ m3)
水泥
沙
卵石
0
0
414
702
1112
5
119 4
414
582 6 1112
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植) 场建造温室等。
1 石墨导电源凝土的试验过程
1 1 试件尺寸和基本性能的确定 试件尺 寸均为 100mm 100mm 100mm 的立 方体, 混 凝
土基体设计为 C30。 1 2 试验材料的选择
主要原料为由江油盛达水泥厂生产的新标准 32 5 级普 通 硅酸盐水泥 : 采用自来水 作为拌 和水; 细骨料 采用的 是普通 中 砂( 河砂) , 粒径 小于 5mm: 粗骨 料 采用 的是 卵 石和 碎石 的 混 合, 最大粒径为 25mm; 导 电相采 用青 岛古宇 石墨 有限 公司 生 产的鳞片石墨, 粒度 1 m~ 5mm ( 如 图 1) ; 电极 采用一 号电 池 碳棒。 1 3 石墨导电混凝土和素混凝土基体的配合比
2 1 万用电表在不同养护龄期内电阻率 的测试结果与分析 万用电表在不同养护龄期内电阻 率的测试结 果如表 2, 3,
4。表 2 为万用电表在 不同养护 期电阻 测试记 录表, 表 3 为 根 据 = RS/ L 计算出的电阻率值, 平均 电阻率用 PJ 代表。
表 2 空白和石墨混凝土电阻测试记录
石墨含量
414
463 2 1112
15
358 2
414
343 8 1112
20
477 6
414
224 4 1112
水 160 160+ 86 160+ 172 160+ 258 160+ 344
翻斗投料入搅拌筒的同时, 加入全部拌和用水进行搅拌 。当 使
用外加剂时 , 应该把它溶 于拌和 用水中, 再倒 入搅拌 筒内进 行 搅拌。配合料拌和均 匀后进 行密实 成型, 同时埋 入电极, 成 型 后把试块放 入养护室中 进行养 护。养护 28d 即得 样品。如 图 2 所示。 1 5 电阻率的测定试验
5 60 103 4 06 103 3 86 103 4 51 103
21d
1 25 105 0 08 105 1 03 105 7 87 104
28d
1 67 105 0 23 105 1 11 105 1 01 105
56d
1 67 105 0 23 105 1 11 105 1 01 105
石墨含量 /% 5
电阻率/ ( m)
14d
21d
4 51 103
7 87 104
80 30 17 11
97 04 23 75
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28d 1 01 105
117 19 25 89 1 75 1 38
56d 1 01 105
117 36 25 96 1 80 1 40
从以上表中数据可以看 出, 随着养 护龄期 的增长, 混凝 土 块的电阻率逐 渐增 大, 增大 的趋 势逐 渐减 缓。从图 3 可 以 看 出, 在 7d 到 14d 养护龄期内, 混凝 土电阻 率增大, 但 5% 、10% 两种却呈现下降趋势, 可能是由于内部水化使 离子增多增加其 导电性; 在 14d 到 21d 内混凝 土块的电 阻率 增加 速度最 快; 在 21d 到 28d 内, 电阻率的增加趋势较 14d 到 21d 减缓; 在 28d 到 56d 内混凝土电阻率基 本没有 变化, 说明混 凝土 电阻率 在 28d 已经稳定下来。
极间距
电阻/
编号
/%
/ cm
7d
14d
21d
28d
56d
1#
60
1 55 104
3 36 104
7 50 105
Fra Baidu bibliotek
1 00 106
1 002 106
0
2#
70
1 82 104
2 84 104
0 60 105
0 16 106
0 161 106
3#
72
1 05 104
2 78 104
7 40 105
0 80 106
14d、21d、28d 内电阻进行测试以及 56d 电阻测 试, 同 时分别 用 万用电表、直流电、交流 电对 石墨 导电 混凝 土块 养护 28d、56d
2 试验结果与分析
后进行电阻测定, 比较三种方法测试差别。 测试仪 器为 DT 90205A 万用 电表、直流 变压 器、交 流变 压
器、安培表、伏特表, 测试电阻值由表直接读出, 直流、交流测 试 法电阻由 R= U / I 计算, 电阻率由 = RS/ L 计算。
电阻率/ ( m) 21d
97 50 97 60 96 03 97 04 28 84 20 44 21 96 23 75 1 94 1 83 1 49 1 75 1 39 1 21 1 20 1 27
28d 95 13 144 27 112 18 117 19 32 50 21 44 23 77 25 89 1 81 1 86 1 58 1 75 1 72 1 21 1 22 1 38
56d 95 38 144 40 112 31 117 36 32 59 21 47 23 81 25 96 1 95 1 88 1 59 1 80 1 74 1 24 1 23 1 40
石墨含量 /%
0 5 10 15 20
7d 2 21 103
63 56 12 78
1 61 1 22
表 4 不同养护龄期电阻率的变化
用万用 电 表 对 石墨 导 电 混 凝 土 块 在 养护 期 分 别 为 7d、
图 2 石墨导电混凝土试块 1 6 石墨混凝土和素混凝土的抗压强度 试验
每种含量的混凝土块做 两组, 每组 三块, 一组用 来测电 阻 率, 另外一组用 来测 试抗 压强 度, 抗 压强 度为 28d 抗压 强度。 抗压强度由抗压强度测试仪测试。